基于雙循環測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺設計

姚宇,　宋建成,　韓毅,　席慶祥,　李建華

(1.太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室, 山西 太原　030024；2.山西煤礦機械制造有限責任公司， 山西 太原　030024)

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基于雙循環測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺設計

姚宇1,宋建成1,韓毅1,席慶祥2,李建華2

(1.太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室, 山西 太原030024；2.山西煤礦機械制造有限責任公司， 山西 太原030024)

摘要：針對離心泵失效過程復雜、故障數據庫不健全的問題，設計了基于雙循環測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺。該平臺利用含砂粒子大小與粒子濃度作為離心泵加速壽命應力因子，以流量-揚程特性曲線作為壽命評價指標。測試結果表明，該平臺可以有效加速離心泵失效過程，并能實現離心泵特性曲線擬合和試驗數據的在線測量，滿足了加速壽命試驗要求。

關鍵詞：離心泵； 加速壽命試驗； 雙循環測量； PLC

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1456.005.html

0引言

離心泵是一種廣泛應用于工業領域排水的旋轉機械設備，其在電力、礦山、化工、農業等多個行業都具有重要的地位。在煤礦井下，離心泵主要擔負涌水排出工作。礦井涌水中含有矸石等雜質,會磨損離心泵葉輪，導致離心泵性能下降。目前離心泵故障時的工況數據并不全面，工作現場設備監測參量較少，不能全面反映故障特征[1-2]；實驗室人工故障特征又不完全符合自然故障發展規律，與實際離心泵失效過程有一定差異，且人工故障點較為離散，不具備連續的故障特征。一些研究中，使用人為切削葉輪的方法形成離心泵故障，而不是加速磨損葉輪，導致獲得的試驗數據只能是某些特性磨損程度的離散數據，不能獲取葉輪在任何磨損程序下的數據[3-9]。

針對離心泵失效過程復雜、故障數據庫不健全的問題，本文設計并建立了基于雙循環測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺。該試驗平臺主要用于模擬離心泵葉輪磨損故障，加速離心泵壽命失效過程，全程監測其流量、壓力、振動和電流等多種信號，獲取其全壽命故障信息，為后續的特征量提取和壽命管理算法的研究奠定基礎。

1離心泵加速壽命試驗原理

離心泵在工作時，流體中夾雜的大量雜質會沖蝕離心泵葉輪，很容易造成磨損，甚至破裂。

目前較為認可的沖蝕磨損理論主要有微切削理論、變形理論和鍛造擠壓理論。3種理論主要是通過不同的力學方法，微觀地描述粒子對靶目標的沖蝕過程。這3種理論一致認為沖蝕主要受沖擊角、沖擊速度、粒子流量、粒子直徑等因子的影響[10]。

在離心泵工作時，4個沖蝕因子會導致離心泵葉片磨損。其中，沖擊角與葉片設計角有關，葉片設計角在離心泵出廠時就已經確定，所以，沖擊角在磨損過程中為固有應力因子，不可改變[11-13]；沖擊速度與流體速度有關，流量一定時，沖擊速度不變。加速壽命試驗平臺主要通過增加粒子直徑和粒子流量來加速離心泵的失效過程。

加速磨損的磨料也是離心泵加速壽命試驗中重要的加速應力因子。本設計選用石英砂作為磨料。石英砂莫氏硬度達到7，硬度遠高于離心泵葉輪，對離心泵加速磨損效果較好。在試驗中采用2～4目石英砂顆粒，在盡可能不造成管路堵塞的前提下，加速對葉輪的磨損。

煤礦井下涌水中矸石含量較大時，離心泵葉輪平均磨損時間為1 000 h，矸石與水的質量比為1∶2。在考慮堵塞和安全的前提下，本試驗中的石英砂與水的質量混合比例也為1∶2。

2加速壽命試驗平臺設計

2.1離心泵特性曲線測量原理

離心泵作為流體旋轉機械，評價其性能的核心指標為特性曲線，即流量(Q)和揚程(H)的關系。當揚程小于設計最低要求時，將不可使用；而當流量過低時，流體輸送效率太低，增加經濟成本。離心泵Q-H特性曲線主要測定Q與H的關系[14]。其中，測量揚程H的計算公式如下：

(1)

式中：P1、P2分別為泵進口、出口的壓強，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h0為壓力計與負壓計高度差，m；u1、u2分別為泵進口、出口的流速，m/s，因離心泵的兩截面管路很短，流速平方差很小，故可忽略。

由此可見，揚程主要與出口與進口壓力P2、P1有關，所以，需要監測泵的出入口壓力。而流量Q可直接測量。為了測量壓力P1、P2和流量Q，需要設計和搭建離心泵配套管路，保障測量數據的準確性和可靠性。

2.2試驗平臺設計

加速壽命試驗平臺由離心泵、正壓計、負壓計、流量計、閥門V1—閥門V4、調節閥V5、清水箱T1、砂水箱T2和試驗監測測控系統組成，如圖1所示。試驗平臺設計為2套循環管路結構，即測量循環管路和加速壽命試驗循環管路。加速壽命試驗循環管路中的砂水箱內為砂水混合流體，用來加速離心泵磨損。測量循環管路中的清水箱內的介質為清水，用來測量離心泵的水力性能。通過閥門控制離心泵壽命，使介質在砂水箱自循環流動。通過控制閥門，切換管路，使用清水箱中的清水實現水力性能測試。在加速壽命試驗循環管路中不存在彎管段，可防止傳感器被磨損和管路堵塞。通過雙循環測量隔離的方法，使得每次測量的管道和傳感器情況保持不變，只有離心泵和加速磨損管路受到磨損，從而確保了精度，也防止了彎管管路造成的管路堵塞。

圖1　離心泵加速壽命試驗平臺組成

當測量離心泵特性曲線時，閥門V1、閥門V2打開，閥門V3、閥門V4關閉。加速壽命試驗平臺運行在測量循環管路上時，循環清水箱T1內的清水。通過調節V5的開度，測出P1、P2和Q，根據式(1)繪制出離心泵特性曲線。

當對離心泵加速失效時，閥門V1、閥門V2關閉，閥門V3、閥門V4打開。加速壽命試驗平臺運行在加速壽命試驗循環管路上，循環砂水箱T2內的砂水混合流體。通過T2中含砂水對離心泵的沖蝕，加速離心泵失效過程。

2.3監測監控系統整體架構

離心泵加速壽命試驗平臺不僅需要加速離心泵失效的過程，最重要的是獲取離心泵全壽命周期的狀態數據。所以，試驗平臺數據的采集和監測至關重要。試驗平臺監測監控系統應具備以下功能：

(1) 能可靠采集壓力、流量等低頻大滯后信號，實現離心泵特性曲線測繪。

(2) 可定期采集振動、電流和電壓等高頻信號，滿足采樣頻率要求。

(3) 可實現水泵自動啟停、閥門開度控制、管路切換等操作的自動控制，自動定期控制相關閥門完成特性曲線逐點測量。

(4) 具備漏液報警、水泵急停等功能，實現就地聲光報警，并可以通過上位機遠程報警。

(5) 能夠自動擬合采集數據的曲線，實時顯示離心泵的特性曲線。

(6) 人機交互界面友好，方便試驗操作，并配備強大的數據庫功能， 可以存儲離心泵失效過程中的全部工況數據。

根據上述功能要求，試驗平臺監測監控系統采用基于PLC和采集卡相結合的監控方案，選用LabVIEW作為上位機軟件開發平臺。試驗平臺監測監控系統總體設計架構如圖2所示。

圖2　試驗平臺監測監控系統總體設計架構

利用PLC與NI9234采集卡實現監測監控功能，選用S7-200系列PLC配合相關外圍繼電器完成邏輯控制。PLC主要與流量、壓力等傳感器和電動閥連接，實現低頻滯后信號的采集和管路相關控制。同時PLC利用漏水傳感器檢測試驗過程中的漏水故障，若發生漏水故障，應及時停止試驗，并向用戶報警。

根據離心泵加速壽命試驗平臺監測監控系統的功能要求，監控軟件主要包括PLC監控程序、HMI人機界面程序、基于LabVIEW的上位機程序和基于SQL Sever 2008的數據庫4個部分。

PLC監控程序是根據加速壽命試驗平臺的功能要求而設計的，與HMI人機界面構成下位機，主要實現以下功能：采集低頻信號、手動控制離心泵與管路、與上位機遠程通信、與HMI人機交互及顯示目前水泵工況流量和壓力等實時狀態。

上位機程序包括上位機交互程序和數據庫2個部分。人機交互程序完成對離心泵工況的實時采集、壽命信息的存儲和健康狀況的分析；數據庫主要用于數據的存儲與管理。上位機界面如圖3所示。

圖3　上位機界面

2.4傳感器布局

試驗平臺安裝有各種傳感器，用于采集流量、正壓、負壓、轉速、電壓、電流和振動等傳感信息。

流量傳感器和正、負壓力傳感器主要用于測量離心泵運行時的水力性能，以便通過水力性能計算出離心泵的特性曲線。電流傳感器和加速度傳感器主要用于采集離心泵從健康狀態衰退到失效狀態時的電流和振動信號的變化過程。

流量、壓力和電信號等傳感器由于其本身測量特性與試驗設計原理的原因，其安裝位置固定。而監測振動信號的加速度傳感器對位置十分敏感，對于葉片式旋轉機械來說，其振動信號中最敏感的故障特征量為葉片通過頻率，即蝸殼上某一點葉片的掃描頻率，其公式為

(2)

式中：Fp為葉片通過頻率；Fn為離心泵轉速；N為葉片數。

在離心泵出現故障時，如某一葉片出現磨損，離心泵會出現一定振動，從而會對Fp進行調制，在其頻譜上出現移頻[15]。所以，對離心泵來說，其蝸殼為加速度傳感器必需的安裝位置。同時由于離心泵整體振動，其底座與出水口都會出現不同頻率與幅值的振動，所以底座與出水口都應安裝加速度傳感器，如圖4所示。

3加速壽命試驗平臺試驗流程

離心泵加速壽命試驗平臺的試驗步驟整體分為3個部分，即測量清水狀態下離心泵的初始性能、含砂條件下離心泵的初始性能和加速壽命試驗過程中的狀態信息。

3.1離心泵初始性能測定

離心泵的初始性能測定主要是在清水和含砂水狀態下進行的，測試健康的離心泵的Q-H曲線、振動信號、電信號，并保存記錄，作為以后故障失效信號的對比樣本。

圖4　加速度傳感器安裝位置

因為離心泵的特性曲線與轉速息息相關，在清水條件下，測定離心泵初始性能，首先應測定離心泵當前轉速；然后，逐漸增大調節閥開度，每次增加10 m3/h，并記錄壓力、流量參數，計算出揚程H，繪制出Q-H曲線。同時記錄正常工況下的離心泵振動信號和電信號，作為對比樣本。

本試驗平臺選用IS100-80-125型離心泵，其額定流量為100 m3/h，額定揚程為20 m。使用加速壽命試驗平臺測試離心泵在清水條件下的初始性能，清水介質初始條件測量參數見表1，繪制特性曲線如圖5所示。所有離心泵Q-H特性測試數據均落在95%置信區間內，本試驗平臺所測試的數據具有較高的擬合精度。擬合特性方程為(6位有效數字)：

H=24.753 2+0.003 133 51Q-0.000 557 543Q2

表1　離心泵清水介質初始條件測量參數

含砂條件下的初始性能測定與清水條件下類似。在介質發生變化時，離心泵的特性會有稍許變化，而且由于介質密度的不同，離心泵的振動信號和電流信號都會出現不同程度的調制，所以，含砂條件下的初始性能測試也是至關重要的。

圖5　離心泵Q-H特性曲線

3.2加速壽命試驗

含砂水對離心泵葉輪的磨損速度：一般砂水質量比為1∶2的情況下，葉輪失效時間約為1 000 h。所以，整體磨損時間較長，加速壽命時間也較漫長，必須要對分點定時監測。加速壽命試驗流程如圖6所示。

圖6　加速壽命試驗流程

4結語

針對目前離心泵失效數據信息庫不健全、故障信息特征量不明確等問題，設計了一種基于雙循環管路的離心泵加速壽命試驗平臺，可以有效加速離心泵失效過程，并定期擬合離心泵特性曲線，采集離心泵全壽命周期工況數據，解決了離心泵失效過程狀態數據無法測量的問題，為離心泵故障診斷打下了基礎。

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Design of accelerated-life test platform of centrifugal pump based on double circulating lines for isolation measurement

YAO Yu1,SONG Jiancheng1,HAN Yi1,XI Qingxiang2,LI Jianhua2

(1.Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control,Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024, China；2.Shanxi Coal Mine Machinery Manufacturing Co., Ltd., Taiyuan 030024, China)

Abstract:For the problems of complex failure process and defective failure database for centrifugal pump， an accelerated-life test platform of centrifugal pump based on double circulating lines for isolation measurement was designed. The platform uses sand particle diameter and particle concentration as accelerated life stress factors of centrifugal pump, and selects flow-head curve as evaluation index of its life. The test results show that the platform can accelerate failure process of centrifugal pump, and can implement centrifugal pump characteristic curve fitting and on-line measurement of test data， which satisfies requirement of accelerated life tests.

Key words:centrifugal pump; accelerated-life test; double circulating measurement; PLC

文章編號：1671-251X(2016)07-0015-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.005

收稿日期：2016-01-08;修回日期：2016-05-31；責任編輯：張強。

基金項目：山西省科技重大專項項目(20131101029)。

作者簡介：姚宇(1990-)，男，黑龍江北安人，碩士研究生，研究方向為煤礦自動化、設備故障診斷等，E-mail:yaoyu_ty@yeah.net。

中圖分類號：TD636

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 14:56

姚宇,宋建成,韓毅，等.基于雙循環測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺設計[J].工礦自動化，2016,42(7)：15-19.